Elektromagnetické vlnění

1. Elektromagnetické vlnění Příčné vlnění vektoru elektrické intenzity a vektoru magnetické indukce Rychlost šíření závisí na vlastnostech prostředí Vakuum: v= c Obecné prostředí: r ... relativní permitivita větší r  slabší elektrostatická interakce r ... relativní permeabilita větší  r  silnější magnetická interakce Foton – částice elektromagnetické interakce m0 = 0, E = hf , v = c,

2. Jaká je frekvence, energie a hmotnost fotonu o vlnové délce 390 nm? Energie fotonu • Pomůcka:

3. Kolik fotonů vyzáří za 1 sekundu zářivka o výkonu 18 W? Uvažujte vlnovou délku fotonu 590 nm. Energie a hybnost fotonu • Výkon je roven energii vydané za 1 s • Vyzářená energie je dána energií jednoho fotonu krát počet vyzářených fotonů

4. Spektrum elektromagnetického vlnění Rádiové vlny Infračervené (tepelné záření) Viditelné světlo =390-790 nm Ultrafialové záření Rentgenové záření (X-ray) Záření gamma (jaderné elektromagnetické záření)

5. Charakteristiky používaného záření a vlnění v diagnostickém zobrazování Ultrazvuk je mechanické vlnění, neelektromagnetické !

6. Vznik rentgenového záření Uvolnění elektronu z katody rentgenové lampy Žhavení katody (záporná elektroda) nízkým napětím (220 V) – zdroj elektronů Urychlení elektronu elektrostatickým polem Napětí 40-150 kV  energie elektronu 40-150 keV Přeměna potenciální elektrostatické energie na kinetickou energii elektronu Zrychlený let elektronu od katody k anodě

7. Vznik rentgenového záření Brždění elektronu blížícího se k atomům anody (wolfram 74W) Zpomalování vlivem odpuzování urychleného elektronu elektrony atomů anody Vysoké protonové číslo  vysoká hustota elektronů Urychlovaná (zpomalovaná) částice vyzařuje elektromagnetické vlnění (fotony) Intenzita úměrná kvadrátu zrychlení a2 Vznik brzdného rentgenového záření o spojitém spektru vlnových délek Rozdílné zpomalení jednotlivých elektronů Částečná ztráta energie letícího elektronu vyzařováním fotonů

8. Vznik rentgenového záření Dopad elektronu na anodu, excitace atomů materiálu anody (wolfram) Přeměna kinetické energie urychleného elektronu na potenciální elektrostatickou energii elektronu atomu wolframu – excitace Vysoké protonové číslo  silná interakce elektronů s jádrem, velké energetické rozdíly hladin Deexcitace excitovaných elektronů wolframu Vznik charakteristického RTG záření o diskrétních frekvencích (vlnových délkách, energiích) Diskrétnost dána energetickými rozdíly mezi excitovanou a nižší (základní) hladinou

9. Vznik rentgenového záření Jiné formy ztráty energie urychleného elektronu Přeměna energie urychleného elektronu na kinetickou energii atomů wolframu, vibrace krystalu neradiační ztráty, přeměna na tepelnou energii anody zahřívání a nutnost chlazení Rotační anoda

10. - Fotoelektrický jev Jeden z mechanizmů přeměny primárního záření (elektromagnetické) na sekundární (elektronové, beta) Dopadající foton způsobí ionizaci elektronu Makroskopický projev – pozitivní náboj kovu Význam fotoefektu pro absorbci elektromagnetického záření v látce Dominantní při energiích do cca 0,5 MeV Cs

11. - Fotoelektrický jev Fotoelektrický jev nastává pouze při frekvencích fotonů vyšších než určitá mez Při nižších frekvencích vůbec nenastává Energie uvolněných elektronů závisí pouze na frekvenci fotonů Nezávisí na intenzitě (množství) fotonového záření Počet uvolněných elektronů je úměrný počtu dopadajících fotonů

12. Deexcitace elektronu • Spontánní emise • fotonu • Stimulovaná emise fotonu - - - • Stimulující foton • Stimulovaná emise • fotonu Princip laseru • Absorpce • fotonu Excitace elektronu

13. Princip laseru Populační inverze Pravděpodobnost absorpce fotonu vedoucí k excitaci elektronu a pravděpodobnost absorpce stimulujícího fotonu vedoucí k deexcitaci elektronu a emisi dvou fotonů je přesně stejná Za normálních podmínek je vždy počet elektronů na nižší hladině vyšší  nedochází k zesilování světla Nárůst počtu fotonů nastává pouze tehdy, je-li počet elektronů na nižší hladině nižší než počet elektronů na vyšší hladině – stav populační inverze

14. Princip laseru Dosažení populační inverze Chemický laser Produkt chemické reakce vznikne v excitovaném stavu  populační inverze Laserová komora je fyzicky propojena s reakční komorou Příklad: H2+I2→2HI* Tříhladinové a vícehladinové lasery Využití zakázaných samovolných přechodů mezi některými hladinami z důvodu nepovolené změny kvantových čísel Elektrony jsou čerpány na vyšší hladinu, ze které samovolně přecházejí na nižší hladinu Laser pracuje mezi hladinami se zakázaným přechodem, přechod možný díky interakci se stimulujícím fotonem

15. Princip tříhladinového laseru • Samovolný přechod elektronu • Čerpání laseru • Stimulující foton • Zakázaný přechod • Stimulovaná emise • fotonu

16. Princip laseru Dosažení populační inverze Tříhladinové a vícehladinové lasery Časté využití dvou prvků s velmi podobnými energetickými rozdíl některých hladin Jeden prvek použit k čerpání laseru, druhý k vlastní stimulované emisi Pulsní režim Střídání čerpání laseru a krátkých (ms) laserových pulsů Kontinuální režim Například chemické lasery